FR3065344A1 - HIGH POWER PROJECTOR WITH SOURCE LIGHT LASER DEPORTEE - Google Patents
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Abstract
Projecteur comportant une source lumière laser (12) et un moteur de projection (14) muni en entrée d'un tunnel intégrateur (148) dans lequel la source lumière laser est reliée de façon déportée au moteur de projection au travers d'un faisceau de fibres optiques (16) comportant une entrée et une sortie, l'entrée du faisceau de fibres optiques étant disposée au niveau d'un plan focal de sortie de la source lumière laser et la sortie de faisceau de fibres optiques étant mise en contact du tunnel intégrateur via une plaque d'homogénéisation (20).A projector comprising a laser light source (12) and a projection engine (14) having at the input of an integrating tunnel (148) in which the laser light source is remotely connected to the projection motor through a beam of optical fibers (16) having an input and an output, the input of the optical fiber bundle being disposed at an output focal plane of the laser light source and the optical fiber bundle output being brought into contact with the tunnel integrator via a homogenizer plate (20).
Description
Domaine de l'inventionField of the invention
La présente invention se rapporte au domaine de l'éclairage et elle concerne plus particulièrement les projecteurs vidéo/cinéma ou les projecteurs lumières de théâtre ou de spectacle comportant une source de lumière laser autorisant une grande puissance d'éclairage.The present invention relates to the field of lighting and it relates more particularly to video / cinema projectors or theater or show light projectors comprising a laser light source allowing high lighting power.
Art antérieurPrior art
Jusqu'il y a encore quelques années, les projecteurs lumières de spectacle étaient classiquement constitués d'une lampe à incandescence ou d'une lampe à décharge type Xénon, Mercure, HMI ou HTI, et d'un réflecteur pour orienter le faisceau lumineux issu de cette lampe vers un système optique comportant une ou plusieurs lentilles disposées les unes derrière les autres dans le faisceau lumineux.Until a few years ago, show light projectors were conventionally made up of an incandescent lamp or a discharge lamp such as Xenon, Mercury, HMI or HTI, and a reflector to direct the light beam from from this lamp to an optical system comprising one or more lenses arranged one behind the other in the light beam.
Récemment, sont apparus sur le marché de l'éclairage, notamment cinéma et vidéo numérique, des projecteurs dont les sources lumière, destinées à remplacer ces lampes à décharge ou à incandescence, sont des LEDs ou des diodes lasers, ces dernières étant plus particulièrement utilisées lorsqu'une grande puissance d'éclairage est visée (typiquement des intensités lumineuses supérieures à 10000 lumens). Ces sources lumières lasers sont essentiellement divisées en deux types : les sources dites Phosphore et les sources dites RGB.Recently, projectors whose light sources, intended to replace these discharge or incandescent lamps, are LEDs or laser diodes have appeared on the lighting market, in particular cinema and digital video. when a large lighting power is targeted (typically light intensities greater than 10,000 lumens). These laser light sources are essentially divided into two types: so-called Phosphorus sources and so-called RGB sources.
Les sources phosphores sont alimentées par des diodes laser bleu (430 - 450 nm environ) et comportent une roue de phosphore pour reconstituer les couleurs rouge et vert. Leur plan focal (en général compris dans une fourchette de 4000 à 5000 microns) ne permet pas actuellement de regrouper plusieurs modules individuels (aujourd'hui chacun limité à des puissances de l'ordre de 10000 à 18000 lumens) en un seul sauf à utiliser des renvois de miroir qui engendrent des pertes de puissance conséquentes. En outre, les sources phosphores doivent être à proximité du moteur de projection (la tête vidéo comportant le modulateur de lumière) et l'association de plusieurs sources phosphores individuelles implique donc des ensembles volumineux, lourds, et bruyants.The phosphor sources are powered by blue laser diodes (430 - 450 nm approximately) and include a phosphor wheel to reconstitute the red and green colors. Their focal plane (generally included in a range of 4000 to 5000 microns) currently does not allow to group several individual modules (today each limited to powers of the order of 10000 to 18000 lumens) in one except to use mirror returns which cause significant power losses. In addition, the phosphor sources must be close to the projection engine (the video head comprising the light modulator) and the association of several individual phosphor sources therefore involves bulky, heavy and noisy assemblies.
Les sources RGB sont quant à elles alimentées par des diodes bleu, verte et rouge. Il est en outre facile de focaliser les faisceaux de plusieurs diodes RGB en un seul point, le plan focal de l'ordre de 300 à 1000 microns permettant de collecter la lumière de sortie dans une fibre unique de même diamètre. En regroupant plusieurs fibres en un seul faisceau ou « bundle », il est ainsi possible de générer des puissances conséquentes. Mais cette technique est contraignante et particulièrement coûteuse du fait notamment de la constitution actuelle monobloc des projecteurs.The RGB sources are powered by blue, green and red diodes. It is also easy to focus the beams of several RGB diodes at a single point, the focal plane of the order of 300 to 1000 microns making it possible to collect the output light in a single fiber of the same diameter. By combining several fibers into a single bundle or “bundle”, it is thus possible to generate substantial powers. However, this technique is restrictive and particularly expensive, in particular because of the current monobloc construction of the projectors.
Ces raisons font qu'à ce jour les projecteurs, vidéo/cinéma ou lumière alimentés par des sources lumières lasers phosphores, sont tous limités en puissance.These reasons mean that to date projectors, video / cinema or light powered by phosphor laser light sources, are all limited in power.
Objet et définition de l'inventionObject and definition of the invention
La présente invention propose de s'affranchir de cette contrainte avec un projecteur permettant de délivrer une grande puissance d'éclairage, typiquement de 25 000 à 60 000 lumens ou équivalente à des lampes à décharge de 4 à 6 KW (Type HMI - Xénon). Un autre but de l'invention est de pouvoir mettre en œuvre un tel projecteur à partir de tout type de source lumière.The present invention proposes to overcome this constraint with a projector making it possible to deliver a large lighting power, typically from 25,000 to 60,000 lumens or equivalent to discharge lamps from 4 to 6 KW (Type HMI - Xenon) . Another object of the invention is to be able to implement such a projector from any type of light source.
Ces buts sont atteints par un projecteur comportant une source lumière laser et un moteur de projection muni en entrée d'un tunnel intégrateur, caractérisé en ce que ce que la source lumière laser est reliée de façon déportée au moteur de projection au travers d'un faisceau de fibres optiques comportant une entrée et une sortie et en ce que ladite entrée de faisceau de fibres optiques est disposée au niveau d'un plan focal de sortie de la source lumière laser et ladite sortie de faisceau de fibres optiques est mise en contact du tunnel intégrateur via une plaque d'homogénéisation.These aims are achieved by a projector comprising a laser light source and a projection motor provided at the input with an integrating tunnel, characterized in that the laser light source is connected remotely to the projection motor through a optical fiber bundle having an input and an output and in that said optical fiber bundle input is arranged at a focal plane of output of the laser light source and said optical fiber bundle output is brought into contact with the integrating tunnel via a homogenization plate.
Ainsi, en disposant un faisceau de fibres optiques au plan focal de la source lumière laser, il devient possible de recourir à tout type de source et notamment une source phosphore.Thus, by placing a bundle of optical fibers in the focal plane of the laser light source, it becomes possible to use any type of source, and in particular a phosphorus source.
De préférence, la source lumière laser comporte une pluralité de sources lumières lasers et le faisceau de fibres optiques comporte une même pluralité d'entrée de faisceau de fibres optiques qui sont fusionnées en une unique sortie de faisceau de fibres optiques.Preferably, the laser light source comprises a plurality of laser light sources and the optical fiber bundle comprises a same plurality of optical fiber bundle inputs which are merged into a single optical fiber bundle output.
En fusionnant ces fibres, on peut alors obtenir sans difficulté une grande puissance d'éclairage.By merging these fibers, it is then possible without difficulty to obtain a large lighting power.
Avantageusement, les différentes entrées de faisceau de fibres optiques ont chacune une section circulaire et l'unique sortie de faisceau de fibres optiques a une section rectangulaire.Advantageously, the different optical fiber bundle inputs each have a circular section and the single optical fiber bundle output has a rectangular section.
De préférence, la section circulaire présente un diamètre supérieur au diamètre du plan focal de sortie de la source lumière laser considérée et la section rectangulaire présente une longueur égale ou inférieure à une section d'entrée du tunnel intégrateur.Preferably, the circular section has a diameter greater than the diameter of the focal plane of exit of the laser light source considered and the rectangular section has a length equal to or less than an entry section of the integrating tunnel.
Avantageusement, le faisceau de fibres optiques comporte plusieurs milliers à plusieurs dizaines de milliers de fibres optiques de diamètre standard compris entre 100 et 200 microns.Advantageously, the bundle of optical fibers comprises several thousand to several tens of thousands of optical fibers of standard diameter between 100 and 200 microns.
De préférence, la plaque d'homogénéisation comporte un angle de diffusion compris entre 2 et 10°.Preferably, the homogenization plate has a diffusion angle of between 2 and 10 °.
Avantageusement, la plaque d'homogénéisation est fixée sur un support solidaire du moteur de projection et pris en sandwich entre la sortie du faisceau de fibres optiques et l'entrée du tunnel intégrateur.Advantageously, the homogenization plate is fixed on a support integral with the projection engine and sandwiched between the exit of the bundle of optical fibers and the entry of the integrating tunnel.
De préférence, la source lumière laser est de type RGB ou phosphore et le moteur de projection comporte l'un des modulateurs de lumière suivants : matrice DMD, matrice LCD, matrices tri-LCD, matrices Tri-DMD, matrice Lcos et matrice D-ILA.Preferably, the laser light source is of the RGB or phosphor type and the projection engine comprises one of the following light modulators: DMD matrix, LCD matrix, tri-LCD matrices, Tri-DMD matrices, Lcos matrix and D- matrix. HE HAS.
Brève description des dessinsBrief description of the drawings
Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels :The characteristics and advantages of the present invention will emerge more clearly from the following description, given by way of non-limiting illustration, with reference to the appended drawings in which:
- la figure 1 est un schéma de principe d'un projecteur à source lumière déportée conforme à l'invention,FIG. 1 is a block diagram of a projector with a remote light source according to the invention,
- la figure 2 est une vue de détail d'un faisceau de fibres optiques îo déportant les sources lumières lasers du moteur de projection,FIG. 2 is a detailed view of a bundle of optical fibers î deporting the laser light sources of the projection engine,
- les figures 2A et 2B sont des vues en bout d'une entrée et de la sortie unique du faisceau de fibres optiques de la figure 2, etFIGS. 2A and 2B are end views of a single inlet and outlet of the bundle of optical fibers of FIG. 2, and
- la figure 3 illustre la fixation d'une plaque d'homogénéisation relayant la sortie unique du faisceau de fibres optiques en entrée du moteur de projection.- Figure 3 illustrates the attachment of a homogenization plate relaying the single output of the bundle of optical fibers at the input of the projection engine.
Description détaillée d'un mode de réalisation préférentielDetailed description of a preferred embodiment
L'invention repose sur le principe de séparer la source lumière laser, qu'elle soit de type phosphore ou RGB, du moteur de projection par un faisceau (ou bundle) de fibres optiques formé de plusieurs centaines à plusieurs milliers de petites fibres optiques standards (100/200 microns) et offrant une ouverture numérique importante (0,37 et au-delà), le diamètre d'entrée du faisceau étant adapté au plan focal de la source lumière laser utilisée (au moins 4 mm pour une source lumière phosphore par exemple) et ce faisceau étant préférentiellement de très grande longueur (jusqu'à plusieurs centaines de mètres) afin de permettre un déport du bruit de ventilation des sources lumières lasers.The invention is based on the principle of separating the laser light source, whether of phosphor or RGB type, from the projection engine by a bundle (or bundle) of optical fibers formed from several hundred to several thousand small standard optical fibers. (100/200 microns) and offering a large numerical aperture (0.37 and beyond), the beam entry diameter being adapted to the focal plane of the laser light source used (at least 4 mm for a phosphor light source for example) and this beam preferably being of very long length (up to several hundred meters) in order to allow the ventilation noise of the laser light sources to be offset.
Le couplage de plusieurs sources lumières de petites puissances permet d'atteindre des intensités lumineuses égales voire supérieures àThe coupling of several light sources of small powers makes it possible to achieve light intensities equal to or even greater than
000 lumens pour des projecteurs vidéo/cinéma, ou des puissances optiques égales ou supérieures à 4 à 6 kW pour des projecteurs lumière.000 lumens for video / cinema projectors, or optical powers equal to or greater than 4 to 6 kW for light projectors.
En associant ainsi plusieurs fibres optiques standard en un faisceau de fibres, il devient possible d'atteindre des diamètre de fibre impossibles à obtenir avec une seule fibre (les fibres uniques ont des diamètres de 1500 microns maximum) et de conjuguer une large étendue de longueur d'onde dans le visible (420 - 640 nm).By thus combining several standard optical fibers into a bundle of fibers, it becomes possible to reach fiber diameters which are impossible to obtain with a single fiber (the single fibers have diameters of 1500 microns maximum) and to combine a wide range of length. wave in the visible (420 - 640 nm).
Toutefois, un simple regroupement de fibres optiques standard ne permet pas d'optimiser le rendement du fait de l'épaisseur des gaines qui îo laisse des interstices entre les fibres engendrant une perte conséquente de rendement. Aussi, l'invention propose de fusionner ces fibres en un faisceau à sortie unique ayant une section de sortie appropriée à la section d'entrée du condenseur (ou rod intégrateur) du moteur de projection et, en intercalant un unique diffuseur/homogénéisateur entre ces deux parties, d'optimiser la puissance délivrée et le rendement obtenu. Par fusion de fibres on entend un regroupement de plusieurs fibres silice en un seul faisceau. Les faisceaux de fibres silice sont fusionnées à chaque extrémité afin d'éliminer les espaces inter-fibre, sans avoir recours à des colles, ou autres types de matières dont les propriétés inhérentes sont limitantes, tout en conservant l'ouverture numérique des fibres. Les faisceaux ainsi fusionnés augmentent généralement la transmission de 50% et sont utilisés dans des applications avec des températures allant jusqu'à 1500°C.However, a simple grouping of standard optical fibers does not make it possible to optimize the yield due to the thickness of the sheaths which leaves gaps between the fibers causing a consequent loss of yield. Also, the invention proposes to merge these fibers into a single output bundle having an outlet section suitable for the inlet section of the condenser (or integrating rod) of the projection engine and, by inserting a single diffuser / homogenizer between these two parts, to optimize the power delivered and the yield obtained. By fiber fusion is meant a grouping of several silica fibers in a single bundle. The bundles of silica fibers are fused at each end in order to eliminate the inter-fiber spaces, without using glues, or other types of material whose inherent properties are limiting, while retaining the numerical opening of the fibers. The bundles thus fused generally increase the transmission by 50% and are used in applications with temperatures up to 1500 ° C.
La figure 1 illustre une structure de projecteur conforme à la présente invention. Ce projecteur 10 est formé de trois parties : une ou plusieurs sources lumières lasers 12, un moteur de projection 14 et un faisceau fusionné de fibres optiques 16 pour assurer le transport de la lumière blanche de la source lumière au moteur de projection ainsi déporté de la source.Figure 1 illustrates a headlamp structure according to the present invention. This projector 10 is formed of three parts: one or more laser light sources 12, a projection engine 14 and a fused bundle of optical fibers 16 to transport white light from the light source to the projection engine thus removed from the source.
La source lumière laser 12 peut être une source lumière phosphore du type de celle commercialisée par la société Digital Projection UK et délivrant en sortie un faisceau de lumière blanche en un point focal déterminé. Il peut s'agir également d'une source lumière laser RGB telle que décrite dans la demande W02016/113490 ou la demande WO2016/156759, l'une et l'autre déposées au nom de la demanderesse et permettant de concentrer différents faisceaux de lumière issus de diodes RGB en un point focal déterminé en sortie de cette source lumière laser.The laser light source 12 can be a phosphor light source of the type sold by the company Digital Projection UK and delivering at the output a beam of white light at a determined focal point. It may also be an RGB laser light source as described in application W02016 / 113490 or application WO2016 / 156759, both filed in the name of the applicant and making it possible to concentrate different light beams from RGB diodes at a determined focal point at the output of this laser light source.
Le moteur de projection 14 est organisé classiquement autour d'un îo modulateur de lumière 140, d'un prisme 142 et d'un bloc optique 144 comportant notamment des lentilles de projection 146 formant l'objectif du projecteur. Le modulateur de lumière est classiquement une matrice DMD (digital micromirror device) mais d'autres configurations peuvent aussi être utilisées comme une matrice LCD, Lcos ou D-ILA et des matrices tri-LCD ou tri-DMD. Quelle que soit la configuration retenue un tunnel intégrateur ou rod 148 est toujours présent en entrée du chemin optique pour assurer un meilleur alignement et une uniformité spatiale comme dans les systèmes à lampe de l'art antérieur.The projection engine 14 is conventionally organized around a light modulator 140, a prism 142 and an optical unit 144 comprising in particular projection lenses 146 forming the objective of the projector. The light modulator is conventionally a DMD (digital micromirror device) matrix, but other configurations can also be used such as an LCD, Lcos or D-ILA matrix and tri-LCD or tri-DMD matrices. Whatever the configuration chosen, an integrating tunnel or rod 148 is always present at the entry of the optical path to ensure better alignment and spatial uniformity as in the lamp systems of the prior art.
Le faisceau fusionné de fibres optiques 16 illustré plus en détail figure 2 permet le couplage d'une ou plusieurs sources lumières lasers en fonction des besoins de puissance.The fused bundle of optical fibers 16 illustrated in more detail in FIG. 2 allows the coupling of one or more laser light sources according to the power requirements.
Notamment, le nombre des entrées 16A, 16B, 16C, 16D du faisceau dépend de la puissance totale souhaitée et de celle de chacune des sources lumières lasers phosphore ou RGB. Par exemple, une source lumière laser RGB du type de celle décrite dans la demande WO2016/156759 précitée délivrant une puissance optique de 20 à 40W (voire plus) par couleur RGB permettra d'obtenir une puissance de projection de 60 à 120W ou plus par entrée, soit en sortie des puissances de 240 à 480W et plus.In particular, the number of inputs 16A, 16B, 16C, 16D of the beam depends on the total power desired and that of each of the phosphor or RGB laser light sources. For example, an RGB laser light source of the type described in the aforementioned application WO2016 / 156759 delivering an optical power of 20 to 40W (or even more) per RGB color will make it possible to obtain a projection power of 60 to 120W or more by input, or output of powers from 240 to 480W and more.
Le diamètre d'entrée du faisceau (voir la figure 2A) dépend du type de source lumière lasers utilisé donc des dimensions du plan focal. Ainsi, on choisira au moins un diamètre d'entrée de 6mm pour une source lumière laser phosphore dont le plan focal est au minimum compris entre 4 et 5 mm. Ce diamètre d'entrée définira le nombre de fibres nécessaires de plusieurs centaines (soit environ 400 fibres de 200 microns pour un diamètre de 4 mm) à plusieurs milliers (soit environ 3500 fibres de 100 microns pour un diamètre de 6 mm) pour un diamètre de fibre unitaire standard de 100 à 200 microns par exemple.The beam entry diameter (see FIG. 2A) depends on the type of laser light source used, therefore on the dimensions of the focal plane. Thus, at least an entry diameter of 6 mm will be chosen for a phosphor laser light source whose focal plane is at least between 4 and 5 mm. This inlet diameter will define the number of fibers required from several hundred (i.e. approximately 400 fibers of 200 microns for a diameter of 4 mm) to several thousand (i.e. approximately 3,500 fibers of 100 microns for a diameter of 6 mm) for a diameter of standard unitary fiber of 100 to 200 microns for example.
De même, la taille du faisceau de sortie 16E dépend du nombre total de fibres unitaires fusionnées (14000 fibres dans l'exemple à quatre entrées immédiatement précédent) et de la section du tunnel intégrateur 148. Enfin, pour augmenter la performance, la forme du faisceau de sortie est adaptée à celle de la matrice de projection (puce DMD par exemple) et donc préférentiellement avec une section rectangulaire (voir la figure 2B) proportionnelle à celle de la matrice et de longueur égale ou inférieure à la section du tunnel intégrateur. Toutefois, une section ovale/elliptique ou de tout type de forme géométrique, dès lors que le diamètre le plus large est égal ou inférieur à la section du tunnel intégrateur, est aussi possible.Similarly, the size of the output beam 16E depends on the total number of fused unit fibers (14,000 fibers in the example with four inputs immediately preceding) and on the section of the integrating tunnel 148. Finally, to increase the performance, the shape of the output beam is adapted to that of the projection matrix (DMD chip for example) and therefore preferably with a rectangular section (see FIG. 2B) proportional to that of the matrix and of length equal to or less than the section of the integrating tunnel. However, an oval / elliptical section or any type of geometric shape, as soon as the widest diameter is equal to or less than the section of the integrating tunnel, is also possible.
En sortie de la fibre fusionnée est disposée une plaque d'homogénéisation 20 destinée à assurer une répartition parfaite des couleurs ainsi qu'une parfaite répartition de la lumière. Il convient de noter que cette plaque d'homogénéisation n'a pas pour objet de rendre «divergente» la lumière cohérente issue du de la fibre fusionnée, cette divergence étant assurée en aval par le biais du prisme du moteur de projection, mais de permettre un étalement régulier du flux lumineux sur la surface de projection (95% centre/périphérie de la surface de projection).At the outlet of the fused fiber is arranged a homogenization plate 20 intended to ensure a perfect distribution of colors as well as a perfect distribution of light. It should be noted that this homogenization plate is not intended to make “coherent” the coherent light coming from the of the fused fiber, this divergence being ensured downstream through the prism of the projection engine, but to allow a uniform spread of the light flux on the projection surface (95% center / periphery of the projection surface).
Comme le montre la figure 3, la plaque dhomogénéisation avantageusement fixée sur un support 150 solidaire du moteur de projection est prise en sandwich entre la sortie de la fibre fusionnée 16E et l'entrée du tunnel intégrateur 148. Pour l'optimisation du rendement lumineux, elle doit présenter un angle de diffusion compris entre 2° et 10° en entrée du tunnel intégrateur et doit pouvoir accepter un angle de divergence de ia fibre fusionnée de 6° à 15°. Une telle plaque d'homogénéisation est disponible par exemple chez la société Holo-OR Ltd sous la référence RH-215-I-Y-A.As shown in FIG. 3, the homogenization plate advantageously fixed on a support 150 secured to the projection engine is sandwiched between the exit of the fused fiber 16E and the entry of the integrating tunnel 148. For the optimization of the light output, it must have a diffusion angle of between 2 ° and 10 ° at the entrance to the integrating tunnel and must be able to accept a divergence angle of the fused fiber from 6 ° to 15 °. Such a homogenization plate is available for example from the company Holo-OR Ltd under the reference RH-215-I-Y-A.
La configuration aussi obtenue est simple avec des rendements de 60 à 75% supérieurs à ceux des dispositifs de l'art antérieur tout en îo présentant des coûts particulièrement réduits. Elle est soumise à peu de contrainte, seul l'alignement dans l'axe du tunnel intégrateur étant requis et encore avec une tolérance assez souple. A noter également que ce montage permet de raccourcir physiquement la longueur de ce tunnel intégrateur.The configuration also obtained is simple with yields from 60 to 75% higher than those of the devices of the prior art while presenting particularly reduced costs. It is subject to little stress, only alignment in the axis of the integrating tunnel being required and still with a fairly flexible tolerance. Note also that this arrangement makes it possible to physically shorten the length of this integrating tunnel.
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